Прежде, чем окунуться в удивительный мир инженерных расчетов строительных конструкций нам нужно разобраться с одной путаницей, которая очень часто встречается у студентов и иногда сохраняется в головах опытных инженеров. Часто специалисты всех уровней путаются в понятиях воздействие-нагрузка-усилие-напряжение. Для преподавателей в ВУЗах это настолько очевидно, что они не утруждают себя задачей разъяснения этих понятий студентам, мол это само собой разумеющиеся понятия, а студенты редко задают вопросы. Так эта путаница потихоньку перетекает со студенческой скамьи в бюро и мешает начинающим специалистам быстро ориентироваться в данных и результатах. Во в этом мы и попробуем разобраться. Итак, начнем.
Все эти понятия вступают в действие на самом старте изучения сопротивления материалов. Но строго говоря, они берут свое начало чуть раньше. Первым и самым непостижимым для инженера является воздействие.
Воздействие
Воздействие - это результат взаимодействия фактора внешней или внутренней среды с конструкцией. К воздействиям относится ветер, снег, температура, находящиеся в конструкции люди и автомобили и т.д. Эти явления сложные и не поддаются точному описанию формулами, но они существуют и их необходимо учитывать. Тут на помощь нам и приходит понятие нагрузки.
Картинка иллюстративна и не претендует на полный перечень возможных воздействий на здание. Более того, приведены только силовые воздействия.
Нагрузка
Нагрузка - это некоторая сила, влияние которой на конструкцию эквивалентно или близко к эквивалентности влиянию воздействия. Как и многие определения, смысл слов этого определения становиться понятен только после того, как становиться понятная его суть. Поэтому давайте разберемся на примерах.
Пример #1
Простой пример - снег. Снег падает на горизонтальную поверхность равномерно или почти равномерно и заменяется при расчете на нагрузку распределенную по площади равномерно. В местах перепада высот, там где могут образовываться снеговые мешки, нагрузка принимается распределенной по площади неравномерно. От больших значений у снеговых мешков к меньшим на свободной горизонтальной поверхности нагрузка принимается изменяющейся линейно, хотя форма снегового мешка в реальности далека от прямолинейности. Это упрощение идет в запас. В этом примере воздействие и нагрузка близки по своему действию.
Вывод #1 - Нагрузка упрощенно отражает лишь некоторую часть воздействия, но не описывает его полностью.
Пример #2
Пример поинтереснее - нагрузка от оборудования. В жизни оборудование устанавливается на некоторые опорные конструкции, например столбчатый фундамент и передает нагрузки по всей площади контакта рамы оборудования с опорной конструкцией. Но так как размеры сечения стакана столбчатого фундамента, как правило, меньше его высоты, то при расчетах его принимают как стержневой элемент. И при расчете, воздействие действующее на обрезе стакана фундамента заменяется эквивалентной сосредоточенной нагрузкой. То есть нагрузкой действующей на бесконечно малой площади. Однако при смятия бетона под рамой оборудования нагрузка представляется уже как равномерно распределенная по площади.
Вывод #2 - Воздействие может быть представлено различными нагрузками в зависимости от исследуемого вопроса и принятой расчетной схемы.
Пример #3
Ветер. Как много в этом слове для инженера. Ветер это сложное природное явление, которое ведет себя по разному на разной высоте, при разной температуре и при взаимодействии с различными формами зданий. Всем этим занимается отдельная область науки - строительная аэродинамика. Мы же рассмотрим ветер просто как пример перехода от воздействия к нагрузке. Дело в том, что ветер может быть представлен как набор нагрузок распределенных по площади приложения к поверхности конструкции, так и набор сосредоточенных нагрузок приложенных к центру жесткости конструкции. В таком случае одно воздействие заменяется уже не на одну нагрузку, а на целый набор нагрузок. При представлении ветра как набора распределенных нагрузок ветер направленный с одной стороны создает положительное давление на подветренную сторону и отрицательное давление на наветренные стороны конструкции. При представлении ветра как набора сосредоточенных нагрузок в точке приложения прикладывается не только сосредоточенная сила, но и сосредоточенный момент стремящийся закрутить конструкцию.
Вывод #3 - Одно воздействие может быть заменено целым комплексом нагрузок, отражающих то или иное влияние воздействия на конструкцию.
Пример #4
Температура. Это особое воздействие, которое сложнее всего представить как нагрузку. Тем не менее при выполнении расчётов строительных конструкций температурное воздействие заменяется именно на нагрузки. Дело в том, что температурное воздействие заставляет тела изменять свои размеры - увеличиваться или уменьшаться. Для свободных конструкций это не создает проблем, но конструкции в составе систем не могут свободно изменять свои размеры. Они ограничены размерами других конструкций. В таком случае, если размеры систем велики настолько, что деформации одних элементов от температурных воздействий могут вызвать дополнительные деформации других элементов, то выполняется расчет на действие температурных нагрузок. Величины же этих нагрузок, принимаются равными нагрузкам, которые нужно приложить к телу, что бы оно сохранило свою первоначальную форму и размер.
Вывод #4 - Иногда нагрузки могут быть совсем не похожими на воздействия.
Ладно, с нагрузкой вроде разобрались. Нагрузки приложенные к телам вызывают появление в телах внутренних усилий.
Усилие
Внутреннее усилие (или просто "усилие") - это сила возникающая внутри тела, сопротивляющаяся действию внешней нагрузки. Внутренних усилий всего шесть: три силы - одна продольная и две поперечных и три момента - один крутящий и два изгибающих. Тут нет ничего сложного.
Строго говоря, внутренние моменты это лишь способ показать, что в разных частях одного и того же сечения могут присутствовать разные по знаку (а значит и направлению) внутренние силы.
И остается последний компонент каши в головах начинающих инженеров - напряжение.
Напряжение
Напряжение - это мера интенсивности внутренних усилий в точке тела. По сути, напряжение - это плотность усилий в некоторой точке поперечного сечения. Напряжения всего два - нормальное и касательное. Нормальное напряжение определяет интенсивность внутренних усилий, действующих перпендикулярно рассматриваемого участка сечения. Касательное напряжение определяет интенсивность внутренних усилий, действующих в плоскости рассматриваемого участка сечения.
Именно напряжение и сравнивают с допустимым напряжением или расчетным пределом прочности материала.
Вывод
Конечно, эти не те концепции, к которым привыкаешь после первого прочтения. Но разобраться с ними очень важно. Терминология - язык науки. Надеюсь, мне удалось четко прочертить границы между этими понятиями. А если остались вопросы - задавайте их в комментариях.